多鞍座微过热蓄热器结构设计文献综述

文 献 综 述

多鞍座卧式容器设计方法

0 引言

鞍式支座支承的卧式容器当其长度较长时，为避免支座跨距过大，导致筒体产生过度变形及较大应力，宜采用三个或三个以上鞍座支承[1]。鞍座支撑卧式容器是压力容器的重要组成部分，其安全、可靠性设计研究是近些年研究的重点之一[2]。多年来，多鞍座卧式容器的设计并没有形成统一的标准，目前大多采用三弯矩理论计算弯矩和鞍座反力[3、4]，再引用双鞍座卧式容器的Zick[5、6、7、8]校核方法对应力进行校核[9、10]。此种方法步骤复杂，不便于工程应用。最近，欧洲协调标准EN13445《非直接受火压力容器》提出了一种不同于传统方法的多鞍座卧式容器的最新设计方法，这是多鞍座卧式容器设计第一次正式写入标准。随着我国不断融入国际市场，各行业相关标准也都与国际接轨。现如今，我国的HGT 20582-2011《钢制化工容器强度设计设计规定》中的第十八章多鞍座卧式容器的设计和计算也是参照EN13445制定的，故其内容与EN13445基本相同。除此以外，我国的压力容器标准GB150等主要参照ASME规范[11]。此篇文献综述主要介绍EN13445中的多鞍座卧式容器设计方法与传统的Zick方法之间的不同之处，并对两种设计方法存在的一些问题做适当的讨论。

1 多鞍座卧式容器设计方法简介

一直以来，卧式容器的设计者在工业应用中都尽量避免采用多鞍座。这是为什么呢？因为传统的多鞍座卧式容器设计方法和使用存在方法不可靠、不均匀沉降等问题[12]。但是在有些设备较长的场合，如果不采用多鞍座，那么鞍座间跨距必然增大，筒体中间截面的挠度也会相应增加，从而筒体会产生较大的弯曲和变形，因此此类设备必须采用多鞍座支撑[12]。比如：天然气净化装置中钢制硫回收冷凝器；铁路枕木防腐行业用于浸注枕木的蒸制罐[13]。典型的多鞍座卧式容器如图1所示（值得注意的是图中这种是比较理想的情况，有的时候鞍座的土建基础就不一样，比如：在多数情况下，三鞍座容器的土建基础是各自独立，各不相连的。这往往造成基础沉降不一致，使得三鞍座不在同一平面，改变了鞍座处筒体内的支承反力及弯矩，从而引起应力的变化[14]）。此类卧式容器的设计，不仅要通过常规容器的内压、外压进行设计，还要对鞍座处鞍座界面处的筒体应力进行校核。

L.P.Zick于1951年提出了专门针对双鞍座卧式容器的设计方法，并于1971年进行了补充。长期以来，多鞍座卧式容器的研究一直没有停止。近些年形成的比较通用的设计方法是将多鞍座卧式容器简化为受均布载荷的不定梁，利用三弯矩理论（M_n-1L_n 2M_n(L_n L_{n 1}) M_{n(n 1)}L_{n 1}=-6ω_nα_n/L_n-6ω_{n 1}b_{n 1}/L_{n 1} [15]）来计算鞍座处的弯矩和鞍座反力，在引用L.P.Zick双鞍座卧式容器的应力计算校核模型，对多鞍座卧式容器进行设计[12]。但是当落实到一些具体点的力的计算的时候，比如研究鞍座宽度和包角对鞍座附近筒体环向峰值应力的影响，则可运用 ANSYS[16]建立有限元模型[17]，而且还能找出相应的危险界面和区域[18]，因此有限元分析在相关设计中广泛运用，本课题中也会有所涉及。

最初的L. P. Zick法只适用于鞍座对称分布的双鞍座卧式容器，但后来随着设备大型化的发展，特别是需要长径比大的卧式容器没有现有的设计标准可以参考，设计人员逐步引用双鞍座卧式容器的设计方法L. P. Zick法，起初用于三鞍座卧式容器的设计，后来逐步引进到大型多鞍座卧式容器的设计。这一方法属于半理论、半经验的方法，虽然有一定理论推导，但是其推导过程引入了许多由实验测定并由作者判断作出的假说。虽然此方法经过长期实践，并没有出现大的问题，但其保守性太强，对于设备的经济性和设计技术的进步都不具有积极作用。

2003年之前，多鞍座卧式容器的设计一直没有正式的标准依据。近些年随着欧洲承压设备行业的高速发展，欧洲协调标准EN 13445《非直接受火压力容器》第3篇16. 8节明确给出了多鞍座卧式容器的设计方法。此方法针对常用的鞍座均匀分布的多鞍座卧式容器，以具体的公式形式给出了鞍座处弯矩、剪力的计算方法，并给出了强度和稳定性的校核方程[12]。

目前，EN 13445中提出的新的多鞍座卧式容器的设计方法，是世界上第一部多鞍座卧式容器设计的标准。从此，多鞍座卧式容器的设计有了正式的标准可依。

2 两种设计方法的差别

虽然L. P. Zick法和欧洲协调标准方法都是以受均匀载荷的多支撑简支梁作为简化模型，通过该简化模型对鞍座处的弯矩进行计算，但两种方法在适用条件、端部受力的处理方法、求解思路、校核形式等具体内容上存在巨大差别。

2. 1 适用条件不同

每个标准都有一定的适用范围。关于卧式容器的设计，EN 13445中明确给出了设计条件，并以条款的形势列出，如图2所示。[12、1]

(1) 0.001≤e_n/D_i ≤0.05,60^o≤δ≤180^o;

(2) e₂≥e_n,a₂≥0.1D_i;

(3) 鞍座所受压力垂直向下；

(4) 一般推荐容器与鞍座焊接，在焊接不方便时，需保持鞍座均匀支承；

(5) 为了减小由于膨胀引起的纵向位移的影响，只有一个鞍座固定在基础上，其他鞍座可延轴向自由运动；

(6) 容器上任何局部载荷作用点距离鞍座的距离不得小于 ;[9]

L. P. Zick多鞍座卧式容器设计法是工程技术人员引用现在的双鞍座卧式容器设计法，并结合大量的实践经验而形成的设计方法，由于没有形成正式的标准，因此也不存在该方法的具体适用条件，一般依据双鞍座卧式容器的设计前提条件。

2. 2端部受力处理方法不同

在EN 13445中，多鞍座卧式容器端部弯矩Mo= q D_i²/16L，.P.Zick法里面有相关的详细计算方法，经过近似处理，不同封头型式的卧式容器具有不同的端部弯矩。当封头为椭圆形或碟形时，Mo= q(1- )；为球型封头时，由于液体静压力的方向通过球心，故Mo= 0。因为因 q= q，可见耐中方法中Mo的差别在于 q= q的系数不同，EN 13445中为， （介质质量与容器质量之比），L.P.Zick法则为 q(1- )。EN 13445标准中通过容器整体来计算端部弯矩，没有考虑封头的具体形状，比L. P. Zick法计算简单，但是并不是说其计算精度比L. P. Zick法低，因为L. P. Zick法端部弯矩计算过程中水平推力的计算也引入了近似。

卧式容器的封头对筒体稳定性有一定加强作用。L. P. Zick法认为当A≦0.5 R_i时，封头对鞍座处筒体有加强作用;EN 13445方法提出了更宽松的设计，认为A≦0.5 D_i时封头对鞍座处筒体仍有加强作用。

2. 3求解思路不同

EN 13445中的16. 8. 5. 2节明确提出了多鞍座卧式容器鞍座的分布应该尽量保证各鞍座上受力均匀。因此，对于载荷均匀分布的卧式容器，鞍座也应该均匀分布，此种情况下(EN 13445中B型多鞍座卧式容器)，鞍座反力Fi= W/n，并且给出了鞍座处弯矩Mi ,剪力Qi的简单计算公式:

在a= 1和a= n时:

Mi=max(q a₃²/2-Mo;q l₁²/8) ；

在i=2至i=n-1；

Mi= q l₁² /8；

鞍座处的剪力:

Qi=0.5Fi

对于鞍座非均匀分布的卧式容器，鞍座反力Fi通过静不定结构力学方程求得。鞍座处弯矩Mi ,剪力Qi，鞍座间弯矩通过梁理论求得。

L. P. Zick法首先计算出容器各鞍座处的弯矩。它以鞍座(2~ n- 1)两侧相邻的筒体为研究对象，根据静不定梁的三弯矩理论，列出n- 2个三弯矩方程，加上根据容器两端外伸筒体列出的2个力学平衡方程，则可解出各鞍座处的弯矩M1, M2 ... ...Mn，然后进一步求出鞍座反力和跨距间弯矩[20]

EN 13445中先求解鞍座反力，再求解鞍座处弯矩Mi ,剪力Qi，还有鞍座间弯矩Mij；L. P. Zick法中首先通过三弯矩力学方程求出鞍座处的弯矩，再通过弯矩求出鞍座反力。显然二者的求解顺序不同[12]。L. P. Zick法使用了三弯矩方程组求取鞍座弯矩，但是此方法的求解较EN 13445中的方法复杂，不适宜工程应用。EN 13445的计算方法简单，工程应用性强，但前提是使各个鞍座均匀受力，而其并没有提供均匀受力的鞍座分布方法，对于工程中鞍座分布来说，L. P. Zick法中的等距分布相对更实际一些。

2. 4校核形式不同

EN 13445中考虑了容器在零压力和设计压力两种情况下的受力情况，分别对其进行校核。该方法设定了两个参数，γ=2.83(a₁/ D_i ) ，β=0.91 b₁ / 并定义了8个计算系数(K3-K10)，计算出最大允许鞍座处载荷Fmax，从而得出强度校核公式:F≦Fmax。

失稳校核公式:

|P |/Pmax |Mi |/Mmax Feq/Fmax(Qi/Qmax) ² ≤1.0只有当跨距之间弯矩Mij,ma＞Mi,max时，才对跨距间筒体进行校核，从而省去了一些不必要的计算。

L. P. Zick法中的校核部分采用传统的校核方式，首先计算出设计压力下卧式容器各个危险点的最大应力，然后与许用应力相比较[13]。多鞍座卧式容器应力校核也引用了相同的方法[21、22]。

L. P. Zick法没有比较各个弯矩之间的关系，无论大小，一律计算出各个情况下的规定的危险点的受力情况，然后与许用应力进行比较，增加了一些不必要的计算，过程复杂。

综上所述，EN 13445中新提出的多鞍座卧式容器的设计方法与传统的L. P. Zick法相比较具有较明显的优点，其第一次明确的提出了多鞍座卧式容器的设计标准，改变了以前没有统一标准的历史，且明确提出了标准的适用条件，优化了端部弯矩的计算方法，创新了卧式容器的设计思路和校核方法，新增加了零压力状态的校核，计算过程简单，工程应用性强，其中有不少值得借鉴之处。

3 两种设计方法中存在的不足

在工程应用中，多鞍座卧式容器仍然存在着不少问题。例如地基沉降和临界长径比问题。

3. 1地基不均匀沉降

虽然多鞍座卧式容器的弯曲应力较小，但是要求各鞍座严格保持在同一水平面上。在多数情况下，多鞍座容器的土建基础是各自独立，各不相连的。这往往造成基础沉降不一致，使得各鞍座不在同一平面，从而会改变筒体鞍座处支承反力和弯矩，进而引起筒体应力的变化。

上述两种方法中鞍座反力的计算都没有考虑基础不均匀沉降的影响。有些资料中提出了许用水平误差的概念[23]；有些设计中在考虑基础沉降时，采用引入安全系数的方法，将鞍座反力和弯矩乘以1. 2-1. 4后进行校核[22、24]。总之，在多鞍座设计中，在不能避免基础沉降的情况下，应该考虑基础沉降对筒体应力场的影响。

3. 2 临界长径比（L/Di）

长径比问题是鞍座卧式容器设计要考虑的重要因素之[2]。一般推荐双鞍座卧式容器的长径比（L/Di）)控制在5以内，长径比（L/Di）大于10的卧式容器多数采用多鞍座支撑（取值过小是不安全的，取值过大也是值得商榷的会增加设备成本[25、26]。但是目前两种卧式容器的设计方法中都没有明确的说明多大长径比下应该使用多鞍座支撑更合理。采用双鞍座和多鞍座支撑的卧式容器的临界长径比还有待于进一步研究[12]。

参考文献：

[1] HGT 20582-2011《钢制化工容器强度设计设计规定》

[2]周波.鞍座卧式容器设计方法分析.徐州工业职业技术学院.221140.

[3] Radoslav Stefanovic, Yaser Noman. Design and Analysis of Buried Liquid Petroleum Gas Storage Bullets Supported on Multiple Saddles.Fluor Canada, PVP2010-25052.

[4]ASME section VIII Division 2,2007.Alternate Rules for Construction of Pressure Vessel, American Society for Mechanical Engineering. New York.

[5] 张翼，张晋军.鞍座位置对双支座卧式容器应力分布影响的研究，天津大学，025-6094(2009)01---17-05.

[6] Z ic;k L P Stresses in Lame Horizontal Cylindrical Pressure Vessels on Two Saddle Supports Journal American Society Welding 1951,30( 3): 435一441.

[7] Schorer Mark Herman Cohen Design of Large Pipe Lines ASCE Trans 1933,98( 3): 101一124.

[8]邓洪桥，三鞍座卧式容器设计及计算，四川晨光刚才设计院，611130

[9]The Engineering Equipment and Materials Users Association Publication No.190.2000.EEMUA,London,England.

[10] Pressure Vessel Design Manual. Second Edition Dennis, R. Moss.

[11]丁伯明，EN 13445、ASME规范和GB150，上海理工大学，1009-328（2006）04-0007-10.

[12]陈志伟，寿比南，郑津洋. 大型多鞍座卧式容器设计方法分析.浙江大学，1001一4837(2005)11一0020- 04

[13]郑津洋，董其伍，桑芝富.过程设备设计[M].北京:化学工业出版社，2001.

[14]王永兴，基础沉降量对鞍座卧式容器的影响，华陆工程公司，西安，710054

[15]王永青，冉谦.卧式容器多鞍座的设计方法，扬州惠通化工技术有限公司，225000.

[16]刘涛，杨风鹤，精通ANSYS[M]，北京；清华大学出版社.

[17]张翼，张晋军.鞍座包角和宽度对双支座卧式容器筒体的应力分布影响的研究，天津大学化工学院，天津，300072.

[18] 钱才富,段成红,徐鸿. 大型卧式储罐鞍座应力分析,北京化工大学，

[19]EN1344 Unfired Pressure Vessels

[20] 黄铭.多鞍座卧式容器的受力分析和强度计算[J].化工设备设计，1998, 35( 5) : 18- 21

[21]胡家顺.大型多鞍座蒸压釜强度训一算及训一算机程序[ J].化工设计，1999, 9( 2) : 53- 55.

[22] 尤大海.三鞍座大型卧式压力容器设计计算[J].压力容器，1992, 9( 3):78-81.

[23] 冯志力，陈良才，刘根凡.关于三鞍座卧式容器设计和计算规范的探讨[J].化工机械，2003, 30( 5) : 272- 275.

[24] 李必忠.三鞍座硫回收冷凝器的强度计算[J].石油与天然气化工，1997. 26(1):39- 41.

[25]尤大海，三鞍座大型卧式压力容器设计计算[J].压力容器，1992, 9 (3):78-81.

[26] 李必忠.三鞍座硫回收冷凝器的强度计算[J].石油与天然气化工，1997, 26 (1):39-41.